王學(xué)東 董茂

(邢臺(tái)職業(yè)技術(shù)學(xué)院教務(wù)處1,山東 邢臺(tái) 054035;特種裝備制造與先進(jìn)加工技術(shù)教育部/浙江省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(浙江工業(yè)大學(xué))2,浙江 杭州 310014)

醫(yī)療真空采血管分揀系統(tǒng)研究

王學(xué)東1董茂2

(邢臺(tái)職業(yè)技術(shù)學(xué)院教務(wù)處1,山東 邢臺(tái) 054035;特種裝備制造與先進(jìn)加工技術(shù)教育部/浙江省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(浙江工業(yè)大學(xué))2,浙江 杭州 310014)

針對(duì)目前國(guó)內(nèi)許多市級(jí)三甲醫(yī)院存在每天門(mén)診數(shù)量龐大,使用采血管化驗(yàn)項(xiàng)目眾多,采用人工分揀勞動(dòng)強(qiáng)度大、分揀效率低等問(wèn)題,提出了一款面向醫(yī)療真空采血管自動(dòng)分揀系統(tǒng)。介紹了醫(yī)療采血管自動(dòng)分揀方法設(shè)計(jì)思路,系統(tǒng)采用DSPIC30f5013芯片作為主控制器,設(shè)計(jì)了基于2.4 GHz無(wú)線通信技術(shù)的控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu),通過(guò)自動(dòng)條碼掃描模塊獲取采血管化驗(yàn)項(xiàng)目等相關(guān)信息。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用分布式軟件設(shè)計(jì)方法,包括下位機(jī)現(xiàn)場(chǎng)控制軟件與上位機(jī)分揀監(jiān)控軟件。結(jié)果表明,該系統(tǒng)可大大提高分揀速率,降低人工分揀強(qiáng)度。

采血管 條形碼掃描 無(wú)線通信技術(shù) 自動(dòng)分揀

0 引言

據(jù)2010年某醫(yī)學(xué)權(quán)威雜志不完全統(tǒng)計(jì),2008年國(guó)內(nèi)真空采血管的需求量為8億支左右,到2013年將達(dá)到19億支左右。國(guó)內(nèi)在許多市級(jí)三甲醫(yī)院中,每天門(mén)診病人數(shù)量龐大,平均每1 000個(gè)患者中,可能需要使用800支采血管進(jìn)行不同的化驗(yàn)項(xiàng)目[1]。然而,常見(jiàn)的醫(yī)療采血化驗(yàn)項(xiàng)目多達(dá)數(shù)十種,且每個(gè)患者也可能需要多支采血管。一般這些采血管需按批次、按化驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行分類(lèi)后,才能送到不同的檢驗(yàn)項(xiàng)目科室進(jìn)行檢測(cè)[2]。目前,國(guó)內(nèi)如上海科華生物工程股份有限公司、廣州陽(yáng)普醫(yī)療、北京積水創(chuàng)格醫(yī)療等知名真空采血管企業(yè)的真空采血管質(zhì)量檢測(cè)與分揀也是采用人工燈檢。這種檢測(cè)方法的結(jié)果是主觀性強(qiáng)、效率低、漏檢率較高,檢測(cè)工人勞動(dòng)強(qiáng)度大,穩(wěn)定性差[3]。僅有極少數(shù)的醫(yī)院或醫(yī)療檢測(cè)中心引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)設(shè)備,采用機(jī)械化的分揀操作流程。在采血管分揀運(yùn)輸過(guò)程中,通常是利用試管架對(duì)試管標(biāo)本進(jìn)行運(yùn)輸,通過(guò)機(jī)械手夾持對(duì)試管標(biāo)本進(jìn)行條碼掃描[4]。這種試管標(biāo)本分揀方式雖然分揀效率高,但設(shè)備較昂貴,并不符合國(guó)內(nèi)醫(yī)療市場(chǎng)的需求。為了解決目前的分揀儀器設(shè)備價(jià)格昂貴而人工分揀勞動(dòng)強(qiáng)度高、分揀效率低的問(wèn)題,本文提出了一種成本低廉、方便可靠的采血管標(biāo)本分揀系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

根據(jù)采血管標(biāo)本分揀的需要,建立的系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。系統(tǒng)主要由信號(hào)采集、數(shù)據(jù)通信和執(zhí)行機(jī)構(gòu)3部分構(gòu)成。

其中,分揀儀信號(hào)采集部分主要由微動(dòng)開(kāi)關(guān)、采血管條形碼掃描引擎和光電開(kāi)關(guān)等傳感節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。數(shù)據(jù)通信部分由2.4 GHz無(wú)線通信模塊、工控機(jī)和主控制器等通信節(jié)點(diǎn)組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分由步進(jìn)電機(jī)和氣缸構(gòu)成。條形碼掃描引擎負(fù)責(zé)掃描待檢采血管項(xiàng)目等信息。微動(dòng)開(kāi)關(guān)置于采血管運(yùn)輸盒底部,用于確定采血管標(biāo)本的位置信息,并通過(guò)2.4 GHz無(wú)線技術(shù)與下位機(jī)主控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。射型光電開(kāi)關(guān)主要完成步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制信號(hào),控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)分揀設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn),配合氣缸完成采血管的分揀動(dòng)作。工控機(jī)上位機(jī)監(jiān)控軟件負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)標(biāo)本分揀項(xiàng)目的各項(xiàng)指標(biāo)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure of the system

2 系統(tǒng)運(yùn)行原理簡(jiǎn)述

本采血管自動(dòng)分揀系統(tǒng)采用循環(huán)式的間歇性運(yùn)動(dòng)。該循環(huán)分揀系統(tǒng)通過(guò)一個(gè)循環(huán)的鏈板線實(shí)現(xiàn)循環(huán)運(yùn)動(dòng),兩頭轉(zhuǎn)彎處各附有一個(gè)180°尼龍轉(zhuǎn)彎導(dǎo)軌引導(dǎo)轉(zhuǎn)彎。循環(huán)鏈板線通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)同步帶帶動(dòng)傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng),從而驅(qū)動(dòng)鏈板線運(yùn)轉(zhuǎn)。采血管運(yùn)輸盒在循環(huán)鏈板線上等間距分布,循環(huán)鏈板線每次運(yùn)行兩個(gè)相鄰運(yùn)輸盒之間的距離,即每過(guò)一個(gè)運(yùn)輸盒停一次,其周期約為2 s。條形碼掃描引擎成功掃描的采血管標(biāo)本置于采血管運(yùn)輸盒后,由微動(dòng)開(kāi)關(guān)感應(yīng)標(biāo)本位置信息。當(dāng)對(duì)射光電開(kāi)關(guān)感應(yīng)到某個(gè)運(yùn)輸盒經(jīng)過(guò)時(shí),立即發(fā)出指令,控制步進(jìn)電機(jī)啟停一次,然后通過(guò)氣缸推動(dòng)相應(yīng)運(yùn)輸盒翻轉(zhuǎn),從而實(shí)現(xiàn)分揀動(dòng)作。同時(shí)通過(guò)上位機(jī)監(jiān)控軟件實(shí)時(shí)回饋給操作工人,樣本分揀類(lèi)型、數(shù)量、出口位置、誤揀率等信息顯示在工控機(jī)液晶顯示屏上,實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能。

3 控制器硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 主控制板電路設(shè)計(jì)

3.1.1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

系統(tǒng)的循環(huán)鏈板由步進(jìn)電機(jī)通過(guò)同步帶驅(qū)動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)采用北京和利時(shí)公司生產(chǎn)的110BYG系列三相混合式步進(jìn)電機(jī),配合SH-32206步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器使用,具有可選十六細(xì)分運(yùn)行模式,最高可達(dá)3 000步/轉(zhuǎn),可完全滿足醫(yī)療分揀系統(tǒng)的運(yùn)行精度要求。由于驅(qū)動(dòng)器端口內(nèi)置光耦,其驅(qū)動(dòng)信號(hào)通過(guò)接收有效脈沖脈沖沿指令,為確保脈沖信號(hào)的可靠響應(yīng),有效信號(hào)占空比應(yīng)小于50%,且脈沖有效電平的持續(xù)時(shí)間不應(yīng)少于50 μs[5]。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的接線圖如圖2所示。

圖2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接線圖Fig.2 The wirings of stepper motor driver

3.1.2 氣缸驅(qū)動(dòng)模塊

根據(jù)采血管分揀系統(tǒng)運(yùn)行原理需求,系統(tǒng)采血管的分揀動(dòng)作主要通過(guò)控制氣缸的伸縮完成,而氣缸的伸縮動(dòng)作由電磁閥控制實(shí)現(xiàn)。由于氣缸只需要完成伸、縮兩個(gè)動(dòng)作,通過(guò)采用小型雙作用氣缸,配合二位五通電磁閥使用即可簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)工作電壓為DC 24 V的電磁閥,其最高工作頻率可達(dá)5次/s。由于24 V電磁閥的工作電流較大,為簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)電路,控制信號(hào)通過(guò)一個(gè)三級(jí)管放大功率,由一個(gè)SSR固態(tài)繼電器進(jìn)行控制。電磁閥的驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。

圖3 電磁閥驅(qū)動(dòng)電路Fig.3 Driving circuit of electromagnetic valve

3.1.3 條形碼掃描模塊

條形碼掃描模塊主要包括采血管條形碼掃描和運(yùn)輸盒的條形碼掃描兩部分。其中,采血管條形碼負(fù)責(zé)采集待揀樣本的檢測(cè)項(xiàng)目等信息;運(yùn)輸盒條形碼掃描負(fù)責(zé)確定待揀樣本在循環(huán)鏈板線上的位置信息。系統(tǒng)采用漫反射的光電開(kāi)關(guān)與條碼掃描引擎配合使用,當(dāng)被掃描對(duì)象接近掃描引擎時(shí),光電開(kāi)關(guān)觸發(fā)CPU發(fā)送掃描觸發(fā)命令至掃碼引擎,完成一次掃描,反之掃描引擎不工作[7]。另外,由于標(biāo)準(zhǔn)串口使用的是RS-232電平,而CPU主控單元使用的是TTL電平,兩者之間需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換,因此,掃描器工作電路需要增加MAX232芯片來(lái)實(shí)現(xiàn),增加有效的通信距離。掃描引擎的具體工作情況示意圖如圖4所示。

圖4 條形碼掃描模塊工作原理圖Fig.4 Operating principle of the bar code scanning module

3.1.4 數(shù)據(jù)通信模塊

控制器數(shù)據(jù)通信模塊主要負(fù)責(zé)主控芯片與工控機(jī)之間的數(shù)據(jù)交互。通過(guò)數(shù)據(jù)通信模塊,控制器可接收來(lái)自工控機(jī)的分揀控制等信號(hào),同時(shí)工控機(jī)可對(duì)控制器發(fā)送的樣本分揀項(xiàng)目與位置信息做相應(yīng)的處理?？刂破鞑捎肕icrochip公司生產(chǎn)的DSPIC30f5013做為主控芯片。該芯片支持2個(gè)帶FIFO緩沖區(qū)的可尋址UART模塊,同時(shí)兼容2個(gè)CAN2.0B標(biāo)準(zhǔn)的CAN總線模塊[8]。由于條形碼掃描模塊已占用兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)串口與控制器相連,故數(shù)據(jù)通信模塊選用CAN總線,通過(guò)MCP2551高速CAN收發(fā)器通信。CAN數(shù)據(jù)通信工作電路原理圖如圖5所示。

圖5 CAN數(shù)據(jù)通信電路原理圖Fig.5 Principle of CAN data communication circuit

3.2 小控制板電路設(shè)計(jì)

控制器小電路板安裝于采血管運(yùn)輸盒內(nèi)部。當(dāng)成功掃描后的采血管樣本置于運(yùn)輸盒中時(shí),由微動(dòng)開(kāi)關(guān)采集感應(yīng)信號(hào),通過(guò)2.4 GHz無(wú)線通信模式將采血管位置信息發(fā)送至控制器主電路板。無(wú)線通信模式采用NRF24L01高速嵌入式無(wú)線數(shù)傳模塊,只需要單片機(jī)預(yù)留5個(gè)GPIO、1個(gè)中斷輸入引腳,就可以很容易實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信功能,非常適合用來(lái)為MCU系統(tǒng)構(gòu)建無(wú)線通信功能。

由于DSP主控芯片的I/O口輸出電壓為5 V,為防止輸出電流過(guò)大燒毀模塊,需要串聯(lián)電阻分壓[9]。 2.4 GHz無(wú)線通信模塊的電路原理圖如圖6所示, NRF24L01的基本電氣特性如表1所示。

圖6 2.4 GHz無(wú)線通信模塊的電路原理圖Fig.6 Circuit principle of 2.4 GHz wireless communication module

表1 NRF24L01的基本電氣特性Tab.1 The basic electrical characteristics of NRF24L01

4 控制器軟件設(shè)計(jì)

控制器軟件系統(tǒng)主要包括下位機(jī)軟件和上位機(jī)監(jiān)控軟件2層,CAN總線通信作為上下2層軟件通信的紐帶。

4.1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

4.1.1 下位機(jī)軟件框架

下位機(jī)軟件主程序設(shè)計(jì)流程圖如圖7所示。

圖7 軟件主程序設(shè)計(jì)流程圖Fig.7 The flowchart of software main program design

醫(yī)療采血管分揀系統(tǒng)的下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)主要由主程序、中斷服務(wù)程序和各子程序組成。軟件全部采用程序模塊化設(shè)計(jì)。各子程序主要包括:①初始化子程序——串口初始化、定時(shí)器初始化及各子程序初始化等;②中斷子程序——定時(shí)器中斷、串口中斷子程序;③步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、氣缸控制、樣本定位子程序等。

4.1.2 樣本數(shù)據(jù)對(duì)接策略

要實(shí)現(xiàn)采血管的正確分揀,必須首先處理好待檢樣本的數(shù)據(jù)對(duì)接問(wèn)題,準(zhǔn)確判斷樣本的位置信息和項(xiàng)目?，F(xiàn)將樣本數(shù)據(jù)對(duì)接策略舉例如下。

設(shè)有A、B、C三個(gè)不同項(xiàng)目類(lèi)型采血管,假設(shè)分別對(duì)應(yīng)①、②、③號(hào)樣本收集盒。當(dāng)A項(xiàng)采血管由人工掃描后置于某一運(yùn)輸盒上,則該運(yùn)輸盒上的微動(dòng)開(kāi)關(guān)將被觸壓一次,假設(shè)該運(yùn)輸盒的編號(hào)為1,即可確定A項(xiàng)采血管置于了該運(yùn)輸盒上。通過(guò)2.4 GHz無(wú)線通信模塊發(fā)射信號(hào),下位機(jī)軟件即可將A項(xiàng)采血管與1號(hào)運(yùn)輸盒進(jìn)行綁定。若事先定義的A項(xiàng)采血管樣本需分類(lèi)到②號(hào)樣本收集盒上,當(dāng)1號(hào)運(yùn)輸盒運(yùn)轉(zhuǎn)到②號(hào)樣本收集盒位置時(shí),控制器便驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)氣缸推動(dòng)1號(hào)運(yùn)輸盒翻轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)樣本分揀,同時(shí)解綁運(yùn)輸盒,等待進(jìn)入下一次循環(huán)分揀。

4.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)分揀控制軟件不僅可以顯示分揀信息,還可同時(shí)接收醫(yī)院分揀中心發(fā)布的信息,提供實(shí)時(shí)信息服務(wù),提升樣本分揀工作的操作效率。上位機(jī)軟件將一天內(nèi)所采集的數(shù)據(jù)信息匯聚至監(jiān)控中心的服務(wù)器,監(jiān)控中心人員即可通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與信息化系統(tǒng)軟件平臺(tái),對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析,并隨時(shí)查詢和調(diào)用[10]。

5 結(jié)束語(yǔ)

該醫(yī)療采血管分揀系統(tǒng)基于2.4 GHz無(wú)線網(wǎng)絡(luò),在控制系統(tǒng)引導(dǎo)下,驅(qū)動(dòng)分揀機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)樣本分揀功能,特別是用于自動(dòng)醫(yī)療真空采血管分揀流水線中,做為采血管正式檢測(cè)化驗(yàn)環(huán)節(jié)前的半自動(dòng)分揀工序,完成采血管不同化驗(yàn)項(xiàng)目的分揀與歸類(lèi)。試驗(yàn)結(jié)果表明,該醫(yī)療采血管分揀系統(tǒng)的實(shí)際分揀速度為1 500～2 500個(gè)/h,可大大提高分揀效率,降低檢測(cè)工人的勞動(dòng)強(qiáng)度,且可靠性更高。研究中發(fā)現(xiàn),為進(jìn)一步提高系統(tǒng)分揀速率,需在分揀環(huán)節(jié)前增加一個(gè)自動(dòng)裝載工序,對(duì)排序后的待檢樣本進(jìn)行分揀,真正實(shí)現(xiàn)分揀過(guò)程的自動(dòng)化。

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Research on the Sorting System for Medical Vacutainers

At present,most of the domestic 3-A class municipal hospitals are facing huge amount of outpatients every day,and numerous laboratory tests are using blood collection tubes.To solve the problems of manually sorting of blood collection tubes,such as labor intensity and low sorting efficiency,the sorting system for medical vacutainers is proposed.The design ideas of automatic sorting method for medical blood collection tubes is introduced,the system uses DSPIC30F5013 chip as the main controller;the control system hardware structure based on 2.4 GHz wireless communication technology is designed,and the automatic bar code scanning module works for acquiring information of laboratory test items of the blood collection tubes.The design of system software adopts distributed software design method,including slave computer field control software and host computer sorting monitoring software.The results show that the system greatly improves the sorting rate, and reduces the labor intensity of manual sorting.

Blood collection tube Bar code scanning Wireless communication technology Automatic sorting

TH772

A

修改稿收到日期:2014-05-08。

王學(xué)東(1976-),男,2006年畢業(yè)于中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)機(jī)械化工程專(zhuān)業(yè),獲碩士學(xué)位,副教授;主要從事數(shù)控技術(shù)的研究。